(57)【要約】【課題】電気伝導性金属基板に電池要素を積層して成るガスリークのない燃料電池用単セルを提供し、このガスリークのない燃料電池用単セルを積層することで、性能の低下を来すことのない軽量薄型の固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】貫通孔２ａを有する電気伝導性金属基板２及び燃料極層３ａ，空気極層３ｂ間に電解質層３ｃを挟み込んで形成した電池要素３を具備して電気伝導性金属基板２の貫通孔２ａ上に電池要素３を積層して成る燃料電池用単セル１を備え、燃料電池用単セル１の電気伝導性金属基板２と、この電気伝導性金属基板２に貫通孔２ａを覆うべく接触する電池要素３の燃料極層３ａの端部との間に、シール材４を含浸させた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と、この電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する電池要素の電極層の端部との間に、シール材を含浸させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記電気伝導性金属基板とシール材を介して接合するセル支持体を備えている請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記セル支持体は複数の開口を具備し、これらの開口のそれぞれに燃料電池用単セルを配置して、開口の周縁部と燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とをシール材を介して接合してある請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記セル支持体は導電性材料からなり、シール材が絶縁性を有している請求項２又は３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記セル支持体は絶縁性材料からなっている請求項２又は３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
複数の燃料電池用単セルを互いに積層して成る請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルにおいて、上記電気伝導性金属基板と、この電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する電池要素の電極層の端部との間に、シール材を含浸させたことを特徴とする燃料電池用単セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極で固体電解質を挟持する構成を電池要素として有する固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体電解質型燃料電池としては、セルと、セル支持体と、セパレータを備えたものがあり、セル支持体及びセパレータの各々の外周部同士を接合することでセルを覆うセル包囲体を形成するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−４５４５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した固体電解質型燃料電池において、セル包囲体を形成するセル支持体及びセパレータの各々の外周部同士は気密性が確保された状態で接合されているものの、セルとセル支持体との間にはガスシールが施されていないことから、ガスがクロスリークする恐れがあり、その結果、性能の低下を招き兼ねないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、電気伝導性金属基板に電池要素を積層して成るガスリークのない燃料電池用単セルを提供すると共に、このガスリークのない燃料電池用単セルを積層することで、性能の低下を来すことのない軽量薄型の固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池は、貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と、この電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する電池要素の電極層の端部との間に、シール材を含浸させた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
本発明の固体電解質型燃料電池では、燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と電池要素の電極層の端部との間に、シール材が含浸させてあるので、電気伝導性金属基板及び電池要素の間からのガスリークが阻止されることとなり、このようなガスリークのない燃料電池用単セルを積層することで、性能の低下を招くことなく軽量薄型化が図られることとなる。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、上記した構成としているので、軽量で且つ薄型、しかも、ガスリークがほとんど生じることのない固体電解質型燃料電池を提供することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池において、貫通孔を有する電気伝導性金属基板上に薄膜状の電池要素を積層した燃料電池用単セルは、その周縁部をガスタイトな電気伝導性金属基板としているものの、電気伝導性金属基板の貫通孔上に多孔質な電極層を配置している都合上、この電極層の周囲のガスシールを行う必要がある。また、貫通孔を覆う電極層の直上に１００μｍよりも薄い電解質層を形成する場合も、ヒートサイクルによって段差の部分から亀裂が生じ易く、クロスリークが起こって性能が低下してしまう。
【００１０】
そこで、電極層の周囲を気密性を確保するべくシール材で覆うようになせば、電極層の端部の強度が増してガスのクロスリークを阻止し得ることとなる。この際、燃料電池用単セルの周縁部が電気伝導性金属基板であることから、電極層の端部のシールは電池要素を積層している片面だけでよく、このように、片面だけシールすればよいので、部材を拘束することなく応力の開放がなされて破損等の不具合が減ることとなって、耐久性が向上することとなる。
【００１１】
電極層の周囲を覆うシール材としては、例えば、ガラスや、Ａｇや、Ａｇ合金などの作動温度以上の融点を有し、融点以上で軟化して多孔質の電極層中に含浸することでガスを遮断する材料が用いられる。
【００１２】
本発明の固体電解質型燃料電池において、電気伝導性金属基板とシール材を介して接合するセル支持体を設けることが望ましい。このように電極層の周囲を覆うシール材を介してセル支持体を貼り付けることで、燃料電池用単セルの外周部分が補強されることとなり、燃料電池用単セルを加工せずにセル支持体のみを加工すればスタック化が可能であり、その結果、燃料電池用単セルの周辺部材の簡略化が図られる。
【００１３】
また、セル支持体を燃料電池用単セルの片面だけに貼り付けるので、ガスシールのために燃料電池用単セルの外周部分を上下から押さえつける必要がなく、薄板状の燃料電池用単セルに大きな力をかけずにスタック化し得ることとなる。つまり、燃料電池用単セルを傷つけることなく加工することができ、その加工自体を簡単なものとすることが可能である。なお、セル支持体には１０〜５００μｍの薄板を用いることが望ましく、セル支持体と電気伝導性金属基板との距離は０〜５ｍｍとすることが望ましい。
【００１４】
本発明の固体電解質型燃料電池において、セル支持体が複数の開口を有するものとし、これらの開口のそれぞれに燃料電池用単セルを配置して、開口の周縁部と燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とをシール材を介して接合することが望ましく、これにより、セル支持体に燃料電池用単セルを複数個設置し得ることとなる、すなわち、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置したいわゆるセル板を得ることとなる。
【００１５】
このように、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置すれば、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなる。また、発電時においてガス上流とガス下流との間に生じる燃料の濃度差によりセル面内に発熱温度の差が発生するため、燃料電池用単セルの面積が大きい場合には上記発熱温度の差で生じる応力によって破損等の不具合が起こる可能性を捨てきれないが、上記したように、燃料電池用単セル個々の面積を小さくしている分だけ温度差が小さくなるので、熱応力を緩和し得ることとなり、したがって、上記セル支持体を設けることで耐久性の向上が実現可能である。
【００１６】
本発明の固体電解質型燃料電池において、セル支持体を導電性材料からなるものとし、絶縁性を有するものをシール材とすると、電池要素を積層するに際して、シール材で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【００１７】
この場合、セル支持体を構成する導電性材料としては、ＳＵＳや、インコネルなどのＮｉ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕを含む耐熱合金を採用することができ、１０〜５００μｍの金属箔とすることが望ましい。一方、絶縁性を有するシール材としては、融点以上で軟化してガスシール性を発揮するガラスや、セラミックス等の電気絶縁性材料が好適に使用される。
【００１８】
一方、セル支持体を絶縁性材料からなるものとすると、電池要素を積層するに際して、セル支持体で電気的な絶縁をとり得ることから、上記と同様に設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【００１９】
この場合、セル支持体を構成する絶縁性材料としては、Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２  等のセラミックスや、ＳｉＯ２  等のガラスをはじめとする  絶縁体（＜１０−７Ｓ・ｃｍ−１  ）部材が好適に使用される。また、セル支持体は、枠状を成していてもよいし、複数の開口を持つ形状を成していてもよい。
【００２０】
セル支持体を絶縁性材料で構成することで、シール材には絶縁性材料及び導電性材料のいずれの材料も用いることができ、その分だけ、設計の自由度が広がることとなり、例えば、シール材として導電体である銀や銀合金を用いれば、隣接する単セルを電気的に並列接続することができ、一方、シール材として絶縁性材料を用いれば、単セルを電気的に分割し得ることとなる。
【００２１】
本発明の固体電解質型燃料電池において、上記燃料電池用単セルを互いに積層する場合、すなわち、複数の燃料電池用単セルをスタック化したり、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置して成るセル板をスタック化したりする場合、接合部分の構造が簡略化されるので、部品の軽量化が図られ、薄型でしかも軽量な固体電解質型燃料電池を製造し得ることとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２３】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例を示している。
【００２４】
図１に示すように、この燃料電池用単セル１は、貫通孔２ａを有する電気伝導性金属基板２及び一対の電極層３ａ，３ｂ間に電解質層３ｃを挟み込んで形成した電池要素３を備えていて、この電池要素３を電気伝導性金属基板２の貫通孔２ａ上に積層して成っており、電気伝導性金属基板２と、この電気伝導性金属基板２に貫通孔２ａを覆うべく接触する電池要素３の電極層（燃料極）３ａの端部との間には、シール材４が含浸させてある。
【００２５】
この実施例において、電気伝導性金属基板２をフォトエッチングにより製造された板厚０．１ｍｍのＳＵＳ４３０から成るエッチングボードとし、電池要素３を構成する燃料極層３ａをスクリーン印刷により製造された層厚０．１２ｍｍのＮｉＯ＋ＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）、電解質層３ｃをスクリーン印刷により製造された層厚１０ｕｍの１０ＳｃＳＺ（Ｓｃ添加安定化ジルコニア）、空気極層３ｂをスクリーン印刷により製造された層厚２０ｕｍのＳＳＣ（Ｓｍ，Ｓｒ添加コバルト酸化物）とし、シール材４を低融点ガラスから成るガラスシールとしている。
【００２６】
具体的に説明すると、電池要素３の燃料極層３ａは、ペーストを塗布した後に、Ｈ２  還元雰囲気中において１１００℃で焼成して成り、電解質層３ｃは、ペーストを塗布した後に、Ｈ２  還元雰囲気中において１２００℃で焼成して成り、空気極層３ｂは、ペーストを塗布した後に、Ｈ２  還元雰囲気中において８５０℃で焼成して成っている。また、シール材４は、電気伝導性金属基板２の多孔質部分に塗布した後、８００℃に保ちつつ溶融させて含浸させてある。
【００２７】
この燃料電池用単セル１では、電池要素３の燃料極層３ａの周囲を気密性を確保するべくシール材４で覆っているので、燃料極層３ａの端部の強度が増してガスのクロスリークを阻止し得ることとなり、この際、燃料電池用単セル１の周縁部が電気伝導性金属基板２であることから、燃料極層３ａの端部のシールは少なくとも電池要素３を積層している片面（図示上面）だけでよく、このように、片面だけシールすればよいので、部材を拘束することなく応力の開放がなされて破損等の不具合が減ることとなり、その結果、耐久性が向上することとなる。
【００２８】
［実施例２］
図２は本発明の他の実施例を示している。
【００２９】
図２に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例１の燃料電池用単セル１に、電気伝導性金属基板２とシール材４を介して接合する枠状を成すセル支持体５を設けており、このセル支持体５は、板厚５０ｕｍのインコネルから成る導電性基板としてある。燃料電池用単セル１自体の構成は実施例１と同じである。
【００３０】
この実施例における固体電解質型燃料電池では、電池要素３の燃料極層３ａの周囲を覆うシール材４を介してセル支持体５を貼り付けているので、燃料電池用単セル１自体の加工を必要とせずにセル支持体５のみの加工でスタック化が可能であり、その結果、燃料電池用単セル１の周辺部材の簡略化が図られることとなる。また、この実施例における固体電解質型燃料電池では、セル支持体５を導電性基板からなるものとし、低融点ガラスから成るガラスシールをシール材４としているので、電池要素３を積層するに際して、シール材４で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【００３１】
［実施例３］
図３は本発明のさらに他の実施例を示している。
【００３２】
図３に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例１の燃料電池用単セル１の他に、板厚１００ｕｍのＳＵＳ４３０から成るセル支持体１５を設けている。
【００３３】
この場合、セル支持体１５は複数の開口１５ａを具備した円板状を成すものであって、これらの開口１５ａのそれぞれに実施例１の燃料電池用単セル１を配置して、開口１５ａの周縁部と燃料電池用単セル１の電気伝導性金属基板２とをシール材４を介して接合してある。
【００３４】
この実施例における固体電解質型燃料電池では、複数の開口１５ａを有するセル支持体１５を用いることによって、複数の燃料電池用単セル１を同一平面上に設置したいわゆるセル板１Ａを得ることとなり、このように、複数の燃料電池用単セル１を同一平面上に設置すれば、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなって、耐久性の向上が実現可能である。
【００３５】
［実施例４］
図４は本発明のさらに他の実施例を示している。
【００３６】
図４に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例１の燃料電池用単セル１に、板厚１００ｕｍのＡｌ２Ｏ３から成る絶縁性を有するセル支持体２５を設けている。
【００３７】
このセル支持体２５は複数の開口２５ａを具備した枠状を成すものであって、これらの開口２５ａのそれぞれに実施例１の燃料電池用単セル１を配置して、開口２５ａの周縁部と燃料電池用単セル１の電気伝導性金属基板２とをシール材４を介して接合してある。
【００３８】
この場合、図４（ｂ）に示すように、セル支持体２５の中心を通過する縦枠２５ｂ及び横枠２５ｃを電気伝導性金属基板２に接合するシール材４Ａは、銀合金から成る導電性シールとしてある。
【００３９】
この実施例における固体電解質型燃料電池においても、複数の燃料電池用単セル１を同一平面上に設置したセル板を得ることから、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなって、耐久性の向上が実現可能である。
【００４０】
また、この実施例では、セル支持体２５がＡｌ２Ｏ３から成っているので、電池要素３を積層するに際して、このセル支持体２５で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【００４１】
このように、セル支持体２５を絶縁性材料であるＡｌ２Ｏ３で構成することで、絶縁性シール材４及び導電性シール材４Ａのいずれをも用いることができ、その分だけ、設計の自由度が広がることとなり、この実施例のように、銀合金から成る導電シール材４Ａを用いることで、隣接する燃料電池用単セル１同士を電気的に並列接続することができる。なお、セル支持体２５の中心を通過する縦枠２５ｂ及び横枠２５ｃの接合部分にも絶縁性シール材４を用いれば、燃料電池用単セル１同士を電気的に分割し得ることとなる。
【００４２】
［実施例５］
図５は本発明のさらに他の実施例を示している。
【００４３】
図５に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池は、複数の実施例３におけるセル板１Ａと、厚さ１５０ｕｍのインコネルからなる導電性基板に流路を形成した複数のセパレータ６とを交互に積層して成っており、この固体電解質型燃料電池では、接合部分の構造が簡略化されるので、部品の軽量化が図られ、薄型でしかも軽量な固体電解質型燃料電池を製造し得ることとなる。
【００４４】
なお、図５における符号７は多孔性導電体を示し、符号８は燃料流、符号９は空気流をそれぞれ示している。
【００４５】
本発明の固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルの詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す断面説明図である。
【図２】本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。
【図３】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。
【図４】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。
【図５】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１  燃料電池用単セル
２  電気伝導性金属基板
２ａ  貫通孔
３  電池要素
３ａ  燃料極層（電極層）
３ｂ  空気極層（電極層）
３ｃ  電解質層
４  絶縁性のシール材
４Ａ    導電性のシール材
５，１５，２５  セル支持体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005019072.tif 000006
【図５】
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